CN213071323U - 一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了二维偏馈式波束扫描平面反射阵列天线，通过纵向偏焦改善了方向图和增益，能够实现宽角扫描，通过结合外部机械装置实现两个维度的移动，随着扫描角的增大，引入径向调控可以减小扫描过程中造成的相位误差，改变馈源移动轨迹，即在圆弧轨迹的基础上引入纵向偏焦来实现X波段内的宽角扫描，通过纵向偏焦改善了方向图和增益，并且具有低成本、低损耗、易于加工等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于阵列天线技术领域，具体涉及二维偏馈式波束扫描反射阵列天线。
背景技术
在微波遥感和卫星通讯等系统中，波束可重构或波束扫描天线得到了广泛的应用，同时第五代移动通讯系统采用了更高的频段，天线需要具有高增益的特点，但是由于高增益特性会使得天线的波束变窄，为了覆盖更广阔的服务区域，要求天线具有高增益特性的同时具备波束可重构或波束扫描等功能。
由于抛物面表面电流的连续分布，难以实现波束电控扫描，只能利用伺服系统实现机械波束扫描，这大大降低了天线的机动灵活性。相控阵天线利用每个单元上激励的电流的幅度和相位，克服了抛物面天线表面电流连续而难以控制的缺点，可以实现灵活的电扫描。但是复杂的馈电网络使相控阵天线设计成本大大增加，并且TR组件本身的传输损耗往往过大，使其应用受限。
平面反射阵列天线在波束可重构或波束扫描领域相比其他高增益天线具有明显的优势，但是现有的平面反射阵列天线，利用圆弧轨迹进行波束扫描大角度时，随着扫描角的增大，由于扫描过程中会出现较大的相位误差，会出现增益降低和波束畸变，因此不能实现良好的宽角扫描。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，通过纵向偏焦改善了方向图和增益，能够实现宽角扫描，并且成本低、损耗低、易于加工。
为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：
本实用新型的一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，包括馈源喇叭以及反射阵列，其特征在于，反射阵列上安装有旋转支架，旋转支架在其所在平面中以安装点为中心转动，旋转支架上设有沿其高度方向的滑轨，馈源喇叭可在滑轨上移动并固定。
其中，所述安装点取反射阵列的几何中心。
其中，馈源喇叭通过旋钮实现在滑轨上的固定。
其中，所述反射阵列由呈现周期变化的不同尺寸反射单元组成，反射单元的最上层为方型结构的贴片单元，第二层为介质基板，最底层为铜质背板，整个阵列天线采用印刷电路板技术制成。
其中，所述馈源喇叭采用角锥喇叭，焦径比设置为1。
有益效果：
本实用新型的二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，通过结合外部机械装置实现两个维度的移动，随着扫描角的增大，引入径向调控可以减小扫描过程中造成的相位误差，改变馈源移动轨迹，即在圆弧轨迹的基础上引入纵向偏焦来实现X波段内的宽角扫描，通过纵向偏焦改善了方向图和增益，并且具有低成本、低损耗、易于加工等优点。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图。
图2为本实用新型中反射单元的结构示意图。
图3为本实用新型中口径上的相位分布。
图4为本实用新型中单元的反射特性曲线。
图5为仅利用圆弧扫描的远场方向图。
图6为本实用新型中圆弧扫描加纵向偏焦的远场方向图。
其中，1-馈源喇叭，2-滑轨，3-旋转支架，4-贴片单元，5-介质基板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
本实用新型的二维偏馈式波束扫描反射阵列天线是一种宽角扫描的平面反射阵列天线，整体结构如图l所示，包括馈源喇叭1以及反射阵列。
其中，反射阵列的O1点上安装有旋转支架3，旋转支架3在其所在平面中以O1点为中心转动，旋转支架3上设有沿其高度方向的滑轨2，馈源喇叭1可在滑轨2上移动并固定，馈源喇叭1位置为O2点。在旋转支架3带动下馈源喇叭1能够以O1点为圆心实现圆弧旋转，同时能够在滑轨2上移动实现径向偏置。
其中，为了提高天线扫描范围，O1点取反射阵列的几何中心，馈源喇叭1 沿着预定的圆弧进行旋转实现波束扫描，旋转过程中始终对着反射阵列的几何中心。馈源喇叭1可以通过旋钮实现在滑轨2上的固定。
当馈源喇叭1偏离中心对称位置的角度较小时，反射阵列的增益随扫描角度基本不发生变化，如果继续沿圆弧扫描，增益损耗将会变大，随着馈源圆弧旋转的角度增大，相位误差越来越大，此时可以适度的减小纵向偏焦的尺寸(即调整馈源喇叭1在滑轨2上的位置)来缩小相位误差，从而改善阵列增益及波束形状，
所述反射阵列由呈现周期变化的不同尺寸反射单元组成，通过仿真计算可以得到反射单元在不同位置的相位补偿图，在确定了中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的反射相位之后，根据所需补偿的相位值在反射相位曲线上对应出反射单元尺寸的大小，即通过计算可以得到反射单元在不同位置的相位分布图，进而得到尺寸分布图。
本实用新型的反射单元如图2所示，反射单元的最上层为方型结构的贴片单元4，第二层为若干介质基板5，最底层为铜质背板，整个阵列天线可以采用印刷电路板技术制成，具有工艺简单、造价低、低剖面、易共形的特点。以经典的矩形贴片反射阵单元为例，所述三层反射阵由16×16即256个经过计算得到的反射单元组成，所述三层反射阵列是长和宽都为200mm，厚度1.5mm的长方体。天线扫描角度为±45度，单元大小P固定为12.5×12.5mm2(即0.5λ0× 0.5λ0，其中λ0为12GHz时自由空间波长)。阵列中反射单元所用的介质基板5 都是长、宽都是12.5mm，厚度为1.5mm的长方体，矩形贴片印刷在介电常数为 2.2，损耗角正切为0.002而在介质基板5的底部为尺寸与其相同，厚度忽略不计的铜质背板，长和宽也为12.5mm。
当馈源喇叭1扫描到0度时，馈源喇叭1位于反射阵列一侧中心的正上方距反射阵表面200mm处，即O1O2＝200mm；当馈源喇叭1圆弧旋转扫描到15 度时，适当将O2向阵列中心移动同时寻找移动最优值，当径向往阵列中心移动 5mm，即O1O2＝195mm时，阵列增益最大；同理，当馈源喇叭1圆弧旋转扫描到30度时，径向往阵列中心移动10mm，即O1O2＝190mm时，增益最大；当馈源喇叭1圆弧旋转扫描到45度时，径向往阵列中心移动20mm，即O1O2＝180mm时，增益最大。
具体地，本实用新型中可以设计馈源喇叭1位于反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面200mm处，与Z轴夹角为0°；设计反射阵列口径为方形，设定出射波束为0°，故整个口径上最终所需的反射相位如图3所示。根据所需的反射相位大小在反射相位曲线上对应出阵元尺寸的大小，由计算出来的所需阻抗值(纵坐标)一一对应出横坐标的值，横坐标的值就是单元的尺寸。该单元在中心频率12GHz无限大周期边界条件、TE波斜入射下得到的反射相位曲线如图4所示。
在本实用新型设计方案中，采用传统的波束扫描反射阵列天线的设计方法设计了两款反射阵列天线作为对比，其它的设计因素如单元类型、阵列大小焦径比与纵向偏焦设计的反射阵列天线相同。当馈源喇叭1正馈时，相位中心距离口径面200mm，此时天线的增益为26dBi，为阵列可达到的最大增益。当馈源沿着圆弧旋转到15°时，反射阵列的增益为23.1dBi，把馈源喇叭1沿着径向靠近阵列移动5mm，即纵向偏焦5mm，阵列增益可达到23.4dBi，增加0.3dBi。当馈源沿着圆弧旋转到30°时，反射阵列的增益为22.3dBi，把馈源喇叭1沿着径向靠近阵列移动10mm，即纵向偏焦10mm，阵列增益可达到22.9dBi，增加 0.6dBi。当馈源沿着圆弧旋转到45°时，反射阵列的增益为19dBi，把馈源喇叭 1沿着径向靠近阵列移动20mm，即纵向偏焦20mm，阵列增益可达到20.6dBi，增加1.6dBi。值得注意的是，采用纵向偏焦技术设计的反射阵列天线不仅仅扫描损耗降低了，在整个扫描范围内其辐射性能都提高了。具体而言，当扫描到±15度、±30度、±45度时相对于传统圆弧扫描方法设计的反射阵列天线增益分别提高了0.2dB,0.6dB和1.6dB。可以看出引入纵向偏焦后能在各个扫描角度下实现更好的相位补偿，从而具有更好的扫描特性。
仅利用圆弧旋转扫描反射阵和利用圆弧旋转加径向偏焦扫描反射阵列天线在不同波束扫描角度的辐射方向图如图5和图6所示。对比图5和图6，可以看到引入纵向偏焦技术设计的反射阵列天线能够实现更稳定的辐射方向图。采用传统圆弧扫描设计的反射阵列天线扫描到±15度，±30度和±45度时副瓣电平分别为-16.2dB，-11.4dB和-6.3dB；采用传统圆弧加纵向偏焦扫描设计的反射阵列天线扫描到±15度，±30度和±45度时副瓣电平分别为-15dB，-12.1dB 和-9.6dB，旁瓣电平也得到了了改善。从图中可以看出，采用纵向偏焦技术设计的反射阵列天线的扫描损耗最低，而采用圆弧形扫描设计的反射阵扫描到±45度时扫描损耗为7dB，采用纵向偏焦技术设计的反射阵扫描到±45度时扫描损耗为5.4dB。
通过研究波束旋转到±15度，±30度和±45度时波束特性可以看出，当沿着圆弧柜及移动时，在不同的扫描角均会有增益损耗，随着扫描角的增大，如果引入径向调控，即引入纵向偏焦，使得馈源喇叭1相位中心更靠近阵列表面，可以减小扫描过程中造成的相位误差，从而减小增益损耗。
进一步地，馈源喇叭可以采用角锥喇叭，焦径比设置为1以使反射阵列边缘照射电平约为-10dB。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，包括馈源喇叭(1)以及反射阵列，其特征在于，反射阵列上安装有旋转支架(3)，旋转支架(3)在其所在平面中以安装点为中心转动，旋转支架(3)上设有沿其高度方向的滑轨(2)，馈源喇叭(1)可在滑轨(2)上移动并固定。
2.如权利要求1所述的二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，其特征在于，所述安装点取反射阵列的几何中心。
3.如权利要求1所述的一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，其特征在于，馈源喇叭(1)通过旋钮实现在滑轨(2)上的固定。
4.如权利要求1所述的一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列由呈现周期变化的不同尺寸反射单元组成，反射单元的最上层为方型结构的贴片单元(4)，第二层为介质基板(5)，最底层为铜质背板，整个阵列天线采用印刷电路板技术制成。
5.如权利要求1所述的一种二维偏馈式波束扫描反射阵列天线，其特征在于，所述馈源喇叭采用角锥喇叭，焦径比设置为1。
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